一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶的制作方法
【专利摘要】一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶，包括甲基乙烯基硅橡胶基体、无机纳米颗粒、硫化剂、交联剂（TAIC）、羟基硅油和硅烷偶联剂。本发明用氢氧化铝（ATH）和氮化硼（BN）两种无机纳米颗粒作为填料，以混合掺杂方式与硅橡胶结合，得到了热导率和耐漏电起痕能力非常好的一元、二元掺杂硅橡胶复合绝缘材料。本发明通过在硅橡胶中掺杂ATH和BN，可大大提高硅橡胶的耐漏电起痕能力和热导率。
【专利说明】一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于电气绝缘高分子材料领域，特别涉及一种具有耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶的制备方法。
【背景技术】
[0003]以硅橡胶为基体的复合绝缘子有着良好的机械强度、电绝缘性和化学稳定性，并且质量轻，运行维护方便，在高压场合使用十分可靠，目前正在越来越多地代替玻璃和陶瓷绝缘子。
[0004]但是，硅橡胶复合绝缘子表面存在污秽时，会在表面发生放电，由于材料的导热性较差，造成局部区域温度上升几百摄氏度，如果局部能量超出硅橡胶本身分子链的原子间能，硅橡胶复合材料就会分解，在绝缘子表面留下碳化导电通道，严重时材料表面会发生短时燃烧，造成绝缘子失效，威胁电网安全运行。因此，提高硅橡胶的导热性能和耐漏电起痕能力是非常重要的，可以有效地提高硅橡胶复合绝缘子的运行寿命，减少因为绝缘子失效导致的故障问题。
[0005]目前，提高高聚物复合材料的耐漏电起痕性能普遍采用的方法是添加金属氧化物，如，MgO，T12等。B.X.Du等研究环氧/纳米Al2O3的耐漏电起痕性能，发现填充量越大，环氧耐漏电起痕能力越好。参见B.X.Du, Y.G.Guo , Tracking resistance ofepoxy/ AI2O3 nanocomposites under DC voltage, IEEE Transact1ns on Dielectricsand Electrical Insulat1n, 2015; 22: 109_116o
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于，针对现有硅橡胶导热性能和耐漏电起痕能力方面存在的缺陷，提供一种具有耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶。
[0007]本发明实现的技术方案如下:本发明用氢氧化铝(ATH)和氮化硼(BN)两种无机纳米颗粒作为填料，以混合掺杂方式与硅橡胶结合，得到了热导率和耐漏电起痕能力非常好的一元、二元掺杂娃橡胶复合绝缘材料。
[0008]本发明一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶，包括甲基乙烯基硅橡胶基体、无机纳米颗粒、硫化剂、交联剂(TAIC)、羟基硅油和硅烷偶联剂。所述硅橡胶构成的原料质量分数比为:
甲基乙烯基硅橡胶基体:设为1，以下其他原料的质量百分比均以此为基础；
无机纳米颗粒:25-100% ；硫化剂:0.5%; TAIC: 0.5% ；羟基硅油:1% ；硅烷偶联剂:5%。
[0009]所述无机纳米颗粒填料为ATH和BN;
ATH纳米颗粒填料的粒径为50nm，BN纳米颗粒填料的粒径为50nm。
[0010]所述ATH纳米颗粒填料与BN纳米颗粒填料的5种掺杂质量分数组合分别为: ATH纳米颗粒填料掺杂量为100% ；
BN纳米颗粒填料掺杂量为100% ；
ATH纳米颗粒填料掺杂25%，BN纳米颗粒填料掺杂75% ；
ATH纳米颗粒填料掺杂50%，BN纳米颗粒填料掺杂50% ；
ATH纳米颗粒填料掺杂75%，BN纳米颗粒填料掺杂25% ；
所述硫化剂为双-2，5硫化剂，硅烷偶联剂为乙烯基三乙氧基硅烷。
[0011 ]所述硅橡胶的制备方法为:
(1)取乙醇倒入烧杯，在乙醇中加入硅烷偶联剂，再加入醋酸和水，搅拌得到硅烷水溶液；
(2)将无机纳米颗粒加入硅烷水溶液中，搅拌得到无机纳米粒子水溶液；
(3)将甲基乙烯基硅橡胶基体置于炼胶机上，包辊后逐渐加入纳米粒子水溶液，混炼均匀，得到硅橡胶与乳液的共混物，加热辊筒使乙醇挥发；
(4)待辊筒温度降至25°C以下，按顺序加入羟基硅油、TAIC、硫化剂，混炼均匀，得到混炼胶；
(5)将混炼胶放入模具中，使用平板硫化机，进行一段硫化；
(6)—段硫化结束后，放入鼓风烘箱中，进行二段硫化，二段硫化结束后，冷却并取出，得到最终试样。
[0012]所述步骤(I)中加入乙醇的质量分数与步骤(2)中无机纳米颗粒质量份数之比为3:2。
[0013]所述步骤(I)中加入醋酸的质量分数与乙醇质量份数之比为1:450。
[0014]所述步骤(I)中加入水的质量分数与硅烷偶联剂质量分数之比为1:4。
[0015]所述步骤(I)中硅烷偶联剂水溶液采用电磁搅拌机进行搅拌，搅拌时间为40min;所述步骤(2)中无机纳米粒子水溶液采用电磁搅拌机进行搅拌，搅拌时间为40min。
[0016]所述步骤(5)中一段硫化需要加压15MPa，温度为160°C，时间为20min ； 二段硫化温度为180°C，时间5h。
[0017]本发明的有益效果是，本发明通过在硅橡胶中掺杂ATH和BN，可大大提高硅橡胶的耐漏电起痕能力和热导率。BN掺杂可以增强与硅橡胶基体的结合力，且对试样热导率有很大提升，但耐漏电起痕能力较弱;ATH掺杂可以增强试样的耐漏电起痕能力，但与硅橡胶基体结合较弱；当ATH掺杂量为75%，BN掺杂量为25%时，硅橡胶的耐漏电起痕能力达到最佳，且对硅橡胶的热导率提升明显，这一配比为二元掺杂硅橡胶试样的最佳配比。
[0018]
【附图说明】
[0019]图1为本发明耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶制备流程框图；
图2(a)为实施例1、实施例2中硅橡胶试样的热导率随温度的变化曲线对比图；
图2 (b )为实施例3、实施例4和实施例5中的硅橡胶试样的热导率随温度的变化曲线对比图；
图3(a)为实施例1与实施例5漏电起痕实验人工污秽液为A液50滴时的平均质量损耗对比图； 图3(b)为实施例1与实施例5漏电起痕实验人工污秽液为B液100滴时的平均质量损耗对比图；
图4(a)为实施例1中硅橡胶试样的SEM图；
图4(b)为实施例2中硅橡胶试样的SEM图；
图4(c)为实施例4中硅橡胶试样的SEM图；
图5 (a )为实施例1中硅橡胶试样的TG曲线；
图5 (b)为实施例2中硅橡胶试样的TG曲线。
【具体实施方式】
[0020]以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
[0021]本发明实施步骤如图1所示。
[0022]实施例1:
(I)取质量分数为100%(相对于硅橡胶基体)的纳米ATH，对纳米粒子进行表面处理，步骤为:取质量分数为150%的乙醇倒入烧杯，再依次加入质量分数为5%的硅烷偶联剂，质量分数为0.3%的醋酸和质量分数为1.25%的水，调节溶液pH值为5左右，用电磁搅拌机搅拌40min使硅烷偶联剂充分水解，得到硅烷水溶液;将ATH粒子加入硅烷水溶液中，用电磁搅拌机搅拌40min，得到无机纳米粒子溶液。
[0023](2)硅橡胶基体与无机纳米粒子溶液混合:将甲基乙烯基硅橡胶基体置于炼胶机上，包辊后逐渐加入步骤I)中的无机纳米粒子溶液，混炼均匀，得到硅橡胶与乳液的共混物，之后加热辊筒使乙醇挥发；
(3)加入其它助剂:待辊筒温度降至25°C以下，按顺序加入质量分数为1%的羟基硅油、质量分数为0.5%的TAIC、质量分数为0.5%的硫化剂，混炼均匀，得到混炼胶；
(4)进行一段和二段硫化:将混炼胶放入金属模具中，使用平板硫化机，调整温度为160°C，压力为15MPa，进行一段硫化，硫化时间为20min; —段硫化结束后，放入鼓风烘箱中，调整温度为1800C，进行二段硫化，硫化时间为5h; 二段硫化结束后，冷却并取出，得到最终试样。
[0024]实施例2
将掺杂的纳米粒子由实施例1中的质量分数为100%的ATH替换为质量分数为100%的BN，其它试剂的用量不变;其他步骤与实施例1相同。
[0025]图2(a)为制样环境和其他试剂用量配比完全相同的情况下，掺杂粒子分别为100%的ATH、100%的BN(实施例1-2)的热导率随温度的变化曲线对比图，发现ATH和BN对硅橡胶热导率均有提升作用，且BN填充硅橡胶的热导率上升幅度大于ATH填充，最高可达0.6Wm—1IT113
[0026]实施例3
将掺杂的纳米粒子由实施例1中的质量分数为100%的ATH替换为质量分数为25%的ATH和质量分数为75%的BN，其它试剂的用量不变;其他步骤与实施例1相同。
[0027]实施例4
将掺杂的纳米粒子由实施例1中的质量分数为100%的ATH替换为质量分数为50%的ATH和质量分数为50%的BN，其它试剂的用量不变;其他步骤与实施例1相同。
[0028]实施例5 将掺杂的纳米粒子由实施例1中的质量分数为100%的ATH替换为质量分数为75%的ATH和质量分数为25%的BN，其它试剂的用量不变;其他步骤与实施例1相同。
[0029]图2(b)为制样环境和其他试剂用量配比完全相同的情况下，掺杂粒子比例不同的二元掺杂试样(实施例3-5)热导率随温度的变化曲线对比图，发现二元掺杂试样的热导率随着BN掺杂量提升而提升，这可能是因为BN本身的热导率比ATH大(BN热导率为33 WnT1K
^1) O
[0030]在漏电起痕实验中，ATH—元掺杂硅橡胶试样耐漏电起痕能力强，而BN—元掺杂试样在漏电起痕过程中易形成表面碳化通路，对于绝缘子来说，碳化通路会导致绝缘子沿面击穿并失效；二元掺杂试样BN掺杂量不宜过多，否则仍会形成碳化通路，当ATH掺杂量为75%，BN掺杂量为25%时，试样耐漏电起痕能力最强。
[0031]图3(a)为一元和二元掺杂试样中耐漏电起痕能力最强的两种试样(实施例1、实施例5)漏电起痕实验人工污秽液为A液50滴时平均质量损耗对比图；图3(b)为一元和二元掺杂试样中耐漏电起痕能力最强的两种试样(实施例1、实施例5)漏电起痕实验人工污秽液为B液100滴时平均质量损耗对比图，可以看出，二元掺杂硅橡胶试样耐漏电起痕能力明显优于一元掺杂试样。
[0032]图4(a)、图4(b)、图4(c)分别为添加不同纳米粒子的硅橡胶试样(实施例1、实施例
2、实施例4)的SEM图，发现BN掺杂试样与硅橡胶基体很好结合，但ATH掺杂会与硅橡胶基体作用形成一种球状结构，该结构与周围的硅橡胶基体结合强度薄弱，二元掺杂中BN的加入使球状结构明显减少。
[0033]图5(a)和图5(b)为一元掺杂硅橡胶(实施例1、实施例2)的TG曲线，可以发现，ATH加入使硅橡胶试样分解温度向低温移动，在漏电起痕实验中，ATH掺杂硅橡胶试样分解过程中不断吸热，使试样表面温度降低，并与试样表面产生的碳反应，防止产生碳化通路，ATH掺杂娃橡胶具有很好的耐漏电起痕能力。
[0034]综上所述，BN掺杂可以增强与硅橡胶基体的结合力，且对试样热导率有很大提升，但耐漏电起痕能力较弱;ATH掺杂可以增强试样的耐漏电起痕能力，但与硅橡胶基体结合较弱；当ATH掺杂量为75%，BN掺杂量为25%时，硅橡胶的耐漏电起痕能力达到最佳，且对硅橡胶的热导率提升明显，这一配比为二元掺杂硅橡胶试样的最佳配比。
【主权项】
1.一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶，其特征在于，所述硅橡胶构成的原料质量分数比为: 甲基乙烯基硅橡胶基体:设为1，以下其他原料的质量百分比均以此为基础； 无机纳米颗粒:25?100%; 硫化剂:0.5%; TAIC:0.5%； 羟基硅油:1%; 娃烧偶联剂:5%。2.根据权利要求1所述一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶，其特征在于: 所述无机纳米颗粒填料为ATH和BN ； ATH纳米颗粒填料的粒径为50nm，BN纳米颗粒填料的粒径为50nm。3.根据权利要求1所述一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶，其特征在于: 所述ATH纳米颗粒填料与BN纳米颗粒填料的5种掺杂质量分数组合分别为: ATH纳米颗粒填料掺杂量为100% ； BN纳米颗粒填料掺杂量为100% ； ATH纳米颗粒填料掺杂25%，BN纳米颗粒填料掺杂75% ； ATH纳米颗粒填料掺杂50%，BN纳米颗粒填料掺杂50% ； ATH纳米颗粒填料掺杂75%，BN纳米颗粒填料掺杂25%。4.根据权利要求1所述一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶，其特征在于:所述硫化剂为双_2,5硫化剂，娃烧偶联剂为乙稀基二乙氧基娃烧。5.根据权利要求1所述一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶，其特征在于，所述硅橡胶的制备方法为: (1)取乙醇倒入烧杯，在乙醇中加入硅烷偶联剂，再加入醋酸和水，搅拌得到硅烷水溶液； (2)将无机纳米颗粒加入硅烷水溶液中，搅拌得到无机纳米粒子水溶液； (3 )将甲基乙烯基硅橡胶基体置于炼胶机上，包辊后逐渐加入纳米粒子水溶液，混炼均匀，得到硅橡胶与乳液的共混物，加热辊筒使乙醇挥发； (4)待辊筒温度降至25°C以下，按顺序加入羟基硅油、TAIC、硫化剂，混炼均勾，得到混炼胶； (5 )将混炼胶放入模具中，使用平板硫化机，进行一段硫化； (6)—段硫化结束后，放入鼓风烘箱中，进行二段硫化，二段硫化结束后，冷却并取出，得到最终试样。6.根据权利要求5所述一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶的制备方法，其特征在于:所述步骤(I)中加入乙醇的质量分数与步骤(2)中无机纳米颗粒质量份数之比为3:2。7.根据权利要求5所述一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶，其特征在于:所述步骤(I)中加入醋酸的质量分数与乙醇质量份数之比为1:450。8.根据权利要求5所述一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶，其特征在于:所述步骤(I)中加入水的质量分数与硅烷偶联剂质量分数之比为1: 4。9.根据权利要求5所述一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶，其特征在于:所述步骤(I)中硅烷偶联剂水溶液采用电磁搅拌机进行搅拌，搅拌时间为40min;所述步骤(2)中无机纳米粒子水溶液采用电磁搅拌机进行搅拌，搅拌时间为40min。10.根据权利要求5所述的一种具有优良耐漏电起痕能力和高热导率的硅橡胶，其特征在于:所述步骤(5)中一段硫化需要加压15MPa，温度为160°C，时间为20min; 二段硫化温度为180°C，时间5h。
【文档编号】C08L83/06GK106009693SQ201610439847
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月15日
【发明人】周求宽, 晏年平, 王子悦
【申请人】国网江西省电力科学研究院, 国家电网公司